C++位操作实战：掩码、提取与组装

极地星光2024-10-28 20:44

在C++编程中，位操作是一项基础且强大的技术，它允许程序员在二进制级别上直接操作数据。这种能力对于性能优化、内存节省以及底层硬件控制至关重要。本文将深入探讨C++中的掩码操作、字节提取与组装，并通过实例展示这些技术的实际应用。

一、位运算符基础

C++中的基本位运算符：

  • 按位与（&）：对两个数的每一位执行与操作，仅当两个相应的位都为1时，结果的该位才为1。
  • 按位或（|）：对两个数的每一位执行或操作，只要有一个相应的位为1，结果的该位就为1。
  • 按位异或（^）：对两个数的每一位执行异或操作，当两个相应的位不同时，结果的该位为1，相同时为0。
  • 按位取反（~）：对一个数的每一位执行取反操作，0变为1，1变为0。
  • 左移（<<）：将一个数的所有位向左移动指定的位数，右边补0。左移相当于对数字进行2的n次幂的乘法运算（n为移动的位数）。
  • 右移（>>）：将一个数的所有位向右移动指定的位数。对于无符号数，高位补0；对于有符号数，处理方式因编译器而异，可能补符号位（算术右移）或补0（逻辑右移）。
示例1：按位与（清零、取指定位）
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int targetValue = 0b11011010; // 二进制表示法
    int mask = 0b00110011;
    int result = targetValue & mask; // 应用掩码，保留掩码中为1的位

    printf("原始: %08b\n", targetValue);
    printf("掩码: %08b\n", mask);
    printf("结果: %08b\n", result);

    return 0;
}

输出：

cpp 复制代码 
原始: 11011010
掩码: 00110011
结果: 00011010
示例2：按位或（保留指定位）
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 0b00101011;
    int b = 0b10010100;
    int result = a | b; // 按位或运算

    printf("a: %08b\n", a);
    printf("b: %08b\n", b);
    printf("结果: %08b\n", result);

    return 0;
}

输出：

cpp 复制代码 
a: 00101011
b: 10010100
结果: 10111111
示例3：按位异或（特定位翻转）
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 0b01111010;
    int mask = 0b00001111;
    int result = a ^ mask; // 按位异或运算，翻转低4位

    printf("原始: %08b\n", a);
    printf("掩码: %08b\n", mask);
    printf("结果: %08b\n", result);

    return 0;
}

输出：

cpp 复制代码 
原始: 01111010
掩码: 00001111
结果: 01110101
示例4：取反
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 0b01111010;
    int result = ~a; // 取反运算

    printf("原始: %08b\n", a);
    printf("结果: %08b\n", result);

    return 0;
}

输出：

cpp 复制代码 
原始: 01111010
结果: 10000101
示例5：左移和右移
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 0b00001111; // 15的二进制表示
    int leftShiftResult = a << 2; // 左移2位
    int rightShiftResult = a >> 2; // 右移2位（逻辑移位）

    printf("原始: %08b\n", a);
    printf("左移2位: %08b\n", leftShiftResult); // 相当于乘以4，结果为60
    printf("右移2位: %08b\n", rightShiftResult); // 相当于除以4，结果为3或-4（取决于符号位和移位方式）

    return 0;
}

输出（假设为逻辑移位）：

cpp 复制代码 
原始: 00001111
左移2位: 00111100
右移2位: 00000011

二、掩码操作实战

掩码是一个二进制数，用于屏蔽不需要的位，只保留目标位。通过与操作（&），可以保留掩码中为1的位，其他位都被清零。在C/C++中使用掩码操作来设置、清除和检查整数的特定位。这些技术在性能优化、内存节省以及底层硬件控制中非常有用。

  • 设置特定位 ：通过掩码与或操作，可以设置整数的特定位。例如，要设置32位整数的第5位（从0开始计数），可以使用num | (1 << 5)。
  • 清除特定位 ：通过掩码与取反操作，可以清除整数的特定位。例如，要清除32位整数的第5位，可以使用num & ~(1 << 5)。
  • 检查特定位 ：通过与操作，可以检查整数的特定位是否被设置。例如，要检查32位整数的第5位是否被设置，可以使用(num & (1 << 5)) != 0。
示例1：设置特定位

假设我们有一个32位整数num，我们想要设置其中的第5位（从0开始计数）。我们可以使用以下代码：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>  
  
int main() {  
    unsigned int num = 0; // 初始化为0  
    unsigned int mask = 1 << 5; // 创建一个掩码，第5位为1，其他位为0  
    num |= mask; // 使用或操作设置第5位  
  
    printf("num: %u\n", num); // 输出结果，应该看到第5位被设置为1  
    return 0;  
}
示例2：清除特定位

现在，假设我们想要清除num的第5位。我们可以使用以下代码：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>  
  
int main() {  
    unsigned int num = 0x20; // 初始化为0x20（二进制：00100000），第5位被设置  
    unsigned int mask = ~(1 << 5); // 创建一个掩码，第5位为0，其他位为1  
    num &= mask; // 使用与操作清除第5位  
  
    printf("num: %u\n", num); // 输出结果，应该看到第5位被清除  
    return 0;  
}
示例3：检查特定位

最后，假设我们想要检查num的第5位是否被设置。我们可以使用以下代码：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>  
  
int main() {  
    unsigned int num = 0x20; // 初始化为0x20（二进制：00100000），第5位被设置  
    unsigned int mask = 1 << 5; // 创建一个掩码，第5位为1，其他位为0  
    int bitIsSet = (num & mask) != 0; // 使用与操作检查第5位是否被设置  
  
    if (bitIsSet) {  
        printf("The 5th bit is set.\n");  
    } else {  
        printf("The 5th bit is not set.\n");  
    }  
  
    return 0;  
}

三、字节提取与组装实战

  • 字节提取：通过右移和掩码操作，可以提取整数的特定字节。
  • 字节组装：通过左移和按位或操作，可以将多个字节组合成一个整数。
字节提取示例

假设我们有一个32位无符号整数num，其值为0x12345678（十六进制表示，二进制为00010010 00110100 01010110 01111000）。

  1. 提取低8位（最低字节）：
cpp 复制代码 
   unsigned char lowByte = (unsigned char)(num & 0xFF);
   printf("Low byte: 0x%02X\n", lowByte); // 输出：Low byte: 0x78

这里，0xFF是一个掩码，其二进制表示为11111111。通过与操作&，我们保留了num的低8位，并将其他位清零。然后，我们将结果强制转换为unsigned char类型，以确保它是一个字节大小。

  1. 提取第二个字节（从0开始计数）：
cpp 复制代码 
   unsigned char secondByte = (unsigned char)((num >> 8) & 0xFF);
   printf("Second byte: 0x%02X\n", secondByte); // 输出：Second byte: 0x56

首先，我们通过右移操作>> 8将num的所有位向右移动8位，这样原来的第二个字节就变成了新的低字节。然后，我们再次使用0xFF掩码和与操作来提取这个新的低字节。

字节组装示例

现在，假设我们有四个字节byte1 = 0x12，byte2 = 0x34，byte3 = 0x56，byte4 = 0x78，我们想要将它们组合成一个32位无符号整数。

  1. 将两个字节组合成一个16位整数：
cpp 复制代码 
   unsigned short combined16 = (unsigned short)((byte1 << 8) | byte2);
   printf("Combined 16-bit: 0x%04X\n", combined16); // 输出：Combined 16-bit: 0x1234

这里，我们首先通过左移操作<< 8将byte1的所有位向左移动8位，为byte2腾出空间。然后，我们使用按位或操作|将byte1（左移后的）和byte2组合起来。

  1. 将四个字节组合成一个32位整数：
cpp 复制代码 
   unsigned int combined32 = (byte1 << 24) | (byte2 << 16) | (byte3 << 8) | byte4;
   printf("Combined 32-bit: 0x%08X\n", combined32); // 输出：Combined 32-bit: 0x12345678

类似地，我们分别将byte1、byte2、byte3向左移动24位、16位和8位，然后将它们与byte4通过按位或操作组合起来。

四、bitset 简介

bitset 是 C++ 标准库中一个非常有用的类模板，它可以帮助我们高效地处理二进制数据。通过使用 bitset，我们可以方便地进行位设置、重置、翻转、检查、获取值以及位运算等操作。此外，bitset 还提供了遍历设置为 1 的位的功能，使得处理二进制数据变得更加灵活和方便。

引入头文件和定义 bitset
cpp 复制代码 
#include <bitset>
std::bitset<8> myBitset;
常用操作

  1. 设置位：

    使用 set() 函数可以将某个位设置为 1。例如：

    cpp 复制代码 
    myBitset.set(3); // 将第 4 个位（索引从 0 开始）设置为 1

  2. 重置位：

    使用 reset() 函数可以将某个位设置为 0。如果调用时不带参数，则会重置整个 bitset。例如：

    cpp 复制代码 
    myBitset.reset(3); // 将第 4 个位重置为 0
myBitset.reset();  // 重置整个 bitset

  3. 翻转位：

    使用 flip() 函数可以翻转某个位或者整个 bitset 的值。如果调用时不带参数，则会翻转整个 bitset。例如：

    cpp 复制代码 
    myBitset.flip(3); // 翻转第 4 个位
myBitset.flip();  // 翻转整个 bitset

  4. 检查位：

    使用 test() 函数可以检查某个位是否为 1。例如：

    cpp 复制代码 
    bool isBitSet = myBitset.test(3); // 如果第 4 个位是 1，则返回 true，否则返回 false

  5. 获取值：

    使用 to_string() 函数可以获取 bitset 的字符串表示。例如：

    cpp 复制代码 
    std::string bitsetString = myBitset.to_string(); // 返回一个表示 bitset 值的字符串

  6. 位运算：

    bitset 还支持一些位运算操作，如按位与、按位或、按位异或等。例如：

    cpp 复制代码 
    std::bitset<8> anotherBitset("10101010");
myBitset &= anotherBitset; // 进行按位与操作

  7. 遍历位：

    使用 find_first() 和 find_next() 函数可以遍历设置为 1 的位。例如：

    cpp 复制代码 
    std::size_t pos = myBitset.find_first(); // 找到第一个设置为 1 的位的索引
while (pos != std::bitset<8>::npos) {
    // 处理设置为 1 的位
    pos = myBitset.find_next(pos); // 找到下一个设置为 1 的位的索引
}

五、其他位操作技术

  • 位旋转：涉及将整数的位向左或向右循环移动。可以通过组合左移、右移和按位或操作来实现。
  • 位计数：计算一个整数中设置为1的位的数量。可以使用逐位检查或使用更高效的算法（如Brian Kernighan算法）。
  • 位查找 ：找到整数中第一个或最后一个设置为1的位的位置。可以使用逐位检查或使用内置函数（如__builtin_ctz或__builtin_clz，取决于编译器）。
  • 位字段（Bit-fields）：位字段是C和C++中一种特殊的数据结构，允许在结构体中定义位级别的成员。虽然位字段在节省内存空间方面非常有用，但跨平台兼容性可能存在问题，因为不同编译器对位字段的布局和填充有不同的处理方式。因此，在使用位字段时需要谨慎，并确保在目标平台上进行充分的测试。
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